崖城13-4气田水下控制系统设计及应用

陈炽彬

(中海石油(中国)有限公司崖城作业公司 广东深圳 518067)

崖城13-4气田水下控制系统设计及应用

陈炽彬

(中海石油(中国)有限公司崖城作业公司 广东深圳 518067)

陈炽彬.崖城13-4气田水下控制系统设计及应用[J].中国海上油气，2015,27(4)：126-130.

Chen Chibin.Design and application of the subsea control system in YC 13-4 gas field[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(4):126-130.

崖城13-4气田水下控制系统是中国海油首个自主设计与建造的控制系统，其采用冗余控制技术实现了水下电子模块的冗余工作模式及井下压力计的双冗余监测功能，采用抗噪声、抗衰减性能良好的频移键控数字调制技术实现了水上主控站与水下电子模块之间的信号传输，具有液压冗余、供电冗余、通讯冗余等特点。应用效果表明，崖城13-4气田冗余控制系统的结构设计先进，水下主控站与水下电子模块的通讯字节错误率可降至0.006 14%以下，通讯的稳定性与可靠性均较高，可为今后类似气田水下控制系统设计提供借鉴。

崖城13-4气田；水下控制系统；冗余控制；频移键控数字调制；水上主控站；水下电子模块；通讯字节错误率

随着我国海洋石油工业向深海发展，利用水下生产系统进行海上油气开发越来越普遍[1-2]。水下生产设施远离所依托的海上平台，需要一套性能稳定的控制系统对水下生产系统各项参数(包括井下及水下采油树生产管道中的压力、温度以及阀位、油嘴开度等)进行实时监测，以完成水面设施对水下生产设施的自动控制或遥控操作[3-5]。崖城13-4气田依托崖城13-1气田现有生产设施采用水下生产系统进行开发，两气田相距22.5 km，面临远距离通讯信号传输不稳定的难题。崖城13-4气田水下生产系统是中国海油首个自主设计与建造的水下生产系统。为了保障该气田生产运行安全可靠，崖城13-4气田水下控制系统采用了冗余控制技术，具有液压冗余、供电冗余、通讯冗余等特点，实现了水下电子模块SEM的冗余工作模式及井下压力计的双冗余监测功能，其中水上主控站MCS与水下电子模块SEM之间的信号传输采用了抗噪声、抗衰减性能好的频移键控数字调制技术。应用效果表明，崖城13-4气田冗余控制系统的技术结构先进，MCS与SEM的通讯字节错误率可降至0.006 14%以下，通讯的稳定性与可靠性均较高，可为今后类似气田水下控制系统设计提供借鉴。

1 水下控制系统设计

1.1 系统组成及特点

作为水下生产系统重要组成部分之一，水下控制系统的可靠性和稳定性对保障水下生产系统的正常生产和安全运行起着至关重要的作用[6-7]。崖城13-4气田水下控制系统是电液复合冗余控制系统，主要由水面设施(包括主控站MCS、供电单元EPU、液压单元HPU)、脐带缆、水下采油树及水下控制模块SCM等子系统组成(图1)。其中，MCS安装在崖城13-1平台上，可以实现水下生产系统的远程监测、控制、报警、紧急关断等功能；EPU向SCM提供电力，并具有监控系统电压、电流、脐带缆接地电阻和执行紧急断电的功能；HPU为水下采油树的液动阀门和井下安全阀提供液压动力。脐带缆为水下生产系统提供电力、通讯信号、液压动力及化学药剂注入的通道。SCM安装在水下采油树结构内，包含水下电子模块SEM 、电磁阀模块、液压压力传感器、液压储能器、液压液过滤器以及水下电气、液压快速接头等，其中SEM则由电力单元、调制解调器、主板及CPU、电磁阀驱动卡、RS 485串口卡、模拟量输入卡等组成[8]，其主要功能是：①执行MCS发出的控制信号，进行采油树开阀、关阀、调节油嘴开度及调整SEM内各卡件的工作模式等；②采集并向MCS回传各类监测数据，包括油嘴开度、井下及生产通道上的压力与温度和阀门液压压力。 崖城13-4气田水下控制系统具有以下特点。

图1 崖城13-4气田水下电液复合冗余控制系统示意图

1) 液压冗余。HPU的高压液压与低压液压分别有2套增压泵及稳压设备，脐带缆内的高压及低压液压分别有2路通道，利用安装在SCM内的梭阀实现2路液压的汇合及液压冗余供给。

2) 供电冗余。EPU有2套供电设备，分别通过脐带缆的电缆A与电缆B向SCM的2个水下电子模块SEM A与SEM B供电。EPU将UPS提供的单相50 Hz、220 V交流电升压成50 Hz、455 V交流电，SEM的电力单元则分别将50 Hz、455 V交流电转换成24 V、5 V直流电供应给SEM内的卡件。

3) 通讯冗余。MCS有2台工业计算机和2个调制解调器，分别通过脐带缆的通讯缆A和通讯缆B与SEM A和SEM B进行通讯。

1.2 通讯与监控设计

通讯的稳定性关系到整个系统的可靠性，MCS与SEM之间的通讯采用以太网架构，应用层为Modbus TCP/IP协议，信号的调制是由MCS和SEM内的调制解调器共同完成。这是一种利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的频移键控数字调制技术，实现起来较为容易，抗噪声与抗衰减性能好，适用于水下控制系统这类长距离、中低速数据传输网络。

SEM的模拟量输入卡接收SCM内液压压力、液压流量等数据的4～20 mA信号。采油树上压力温度传感器由第三方制造商提供，与串口卡之间的通讯采用抗干扰性能好的RS 485串行标准信号。井下压力计接口卡与串口卡之间也采用RS 485串行标准信号进行通讯。崖城13-4气田水下井口的井下压力计安装在井下3 000 m左右的位置，为了保证长距离信号传输的稳定，井下压力计与接口卡均采用了频移键控数字调制通讯技术。

工作时，MCS向SCM发送的各种指令由SEM接收，经调制解调器解码后传给CPU处理，按照指令的意图，CPU控制电磁阀驱动卡相应的信道输出持续2～5 s的控制电流，控制电流激励电磁阀中的线圈，导通或关闭液压回路。每个电磁阀对应采油树上的一个液压控制阀门，液压回路的导通或关闭将引起液压的供给和泄放，从而实现液压阀门的开关控制。

1.3 SEM的冗余工作模式

冗余控制模式并不是单路控制模式的简单扩展，其技术难点是在不增加水下采油树压力温度传感器及井下压力计数量的情况下，如何实现每个传感器的信号同时向2套监控系统有序传递。

崖城13-4气田水下控制系统通过在MCS设置程序，将一个SEM定义为工作模式，并具有发送控制信号及接收传感信号的实时控制权，而另一个SEM则自动默认为备用模式。当系统监测到处于工作模式的SEM与MCS通讯连续出现30个错误字节时，则认为该SEM故障，自动切换至备用模式，同时将处于备用模式的SEM唤醒成为工作模式。如果处于备用模式的SEM也处于通讯故障状态，那么2个SEM的工作模式不会切换，这时MCS发出通讯故障报警，同时进入故障自检程序。崖城13-4气田水下控制信号及传感器信号传递分配如表1所示，2个SEM进行工作模式转换时，传感器信号的回传对象也按照预定程序进行切换。

水下阀门开关的及时性关系到水下生产系统的安全运行。MCS向SCM传递阀门开关信号时，会同时发送给SEM A与SEM B，最先接收到信号的SEM会给电磁阀输出控制电流执行阀门开关，保证阀门及时执行开关命令。与电磁阀控制信号不同，串口卡和模拟量输入卡与传感器的接线都是实时带电的，所以不能与2个SEM同时通联，防止SEM同时供电造成传感器过流损坏，只有工作模式的SEM才有权向传感器通电并接收其回传信号。

表1 崖城13-4气田水下控制及传感信号传递分配表

1.4 井下压力计的双冗余监测

崖城13-4气田水下控制系统的SEM A与SEM B各安装有1张接口卡。接口卡具有以下功能：①向井下压力计提供可调节电压的电源；②获取压力计的遥测信号传递给RS 485串口卡，并存储历史数据。通过水面工程计算机可与接口卡直接通讯，进行井下压力计的关闭、启动及故障诊断等维修操作。为了提高井下压力计的可靠性，便于压力计故障排查，专门在接口卡设置了一个跳线接口，以实现井下压力计的双冗余监测功能。

崖城13-4气田水下控制系统井下压力计接口卡与串口卡接线如图2所示。SEM的RS 485串口卡有4个信道，即CH A、CH B、CH C、CH D。其中，CH C、CH D分别与采油树生产通道的压力温度传感器#1、#2连接，CH A、CH B分别与井下压力计的接口卡#1、#2连接，形成了能够读取井下压力计数据的4个通道。当某—通道出现问题时，还有其他3个通道可以作为备用。但不能同时开启接口卡#1、接口卡#2给井下压力计供电，防止造成压力计过流损坏。

图2 崖城13-4气田水下控制系统井下压力计接口卡与串口卡接线示意图

在MCS上向SEM发送不同的指令代码可控制串口卡4个信道的导通或关闭，实现井下压力计和采油树压力温度传感器的远程关闭或重启。由于MCS输入的十进制代码是在自动转换成二进制代码后发送至SEM，所以串口卡的CH A、CH B、CH C、CH D等4个信道与二进制代码的各位数是从低到高一一对应的。

为了防止井下压力计过流损坏，在水下控制系统操作维护中使用代码的基本规则如下： ①禁止输入使单个RS 485串口卡CH A与CH B信道同时导通的代码；②禁止输入使井下压力计接口卡#1与接口卡#2同时连通的代码。

2 应用效果

试生产初期，崖城13-4气田水下控制系统每5～7 d就会出现一次MCS与SEM通讯中断故障，通讯错误字节较多，SEM工作模式切换频繁，通讯稳定性较差。该气田试生产初期水下控制系统通讯故障统计数据见表2。

表2 崖城13-4气田试生产初期水下控制系统通讯故障数据统计

经过多方会诊，查出了通讯中断的原因：由于SEM应用代码设置不正确，处于工作模式的SEM出现故障时不能自动切换至备用模式，处于备用状态的SEM也不能自动唤醒成为工作模式，而原有指令一直要求SEM切换工作模式，造成出现故障的SEM不能自动复位，通讯数据不能上传至MCS，最终出现MCS与SEM通讯完全中断。重新设置SEM的应用代码并通过MCS上传更新，并利用通讯监测系统进行了为期20 d的Modbus TCP/IP通讯测试，测试结果见表3。

表3 崖城13-4气田水下控制系统通讯测试数据统计

由表3可以看出，重新设置SEM应用代码后，3座采油树的通讯错误字节数都大幅度降低，错误率已降至0.006 14%以下，SEM工作模式仅切换了1～3次，没有出现通讯中断故障，水下控制系统运行稳定，表明该气田水下控制系统采用电液复合冗余控制系统是安全有效的。

3 结束语

应用效果表明，崖城13-4气田水下控制系统结构设计先进，采用冗余控制技术实现了水下电子模块的冗余工作模式及井下压力力计的双冗余监测功能，虽然试生产初期频繁发生通讯中断故障给气田稳定生产带来了很大的困扰，但是更新SEM应用代码后通讯的稳定性和可靠性较高，MCS与SEM的通讯字节错误率降低至0.006 14%以下，水下生产系统运行正常，达到了系统设计的预期目标。我国深海未来采用水下生产系统进行开发的油气田越来越多，而水下生产系统是由各个不同厂家生产的设备装配集成，不同厂家的设计及测试规范又存在较大的差异，因此，在水下生产系统出厂验收测试时，应将控制系统的全部子系统连接起来进行联合通讯测试，这样可使通讯故障这类技术问题在出厂验收测试时就被识别并得以解决，将有利于油气田的顺利投产。

[1] 张姝妍，刘培林，曾树兵，等.水下生产系统研究现状和发展趋势[J].中国造船，2009,50(增刊1)：143-151. Zhang Shuyan,Liu Peilin,Zeng Shubing,et al.Status and new developments in subsea processing[J].Ship Building of China,2009,50(S1):143-151

[2] 王玮，孙丽萍，白勇.水下油气生产系统[J].中国海洋平台，2009,24(6):41-45. Wang Wei,Sun Liping,Bai Yong.Investigation on subsea production systems[J].China Offshore Platform,2009,24(6):41-45

[3] 范亚民.水下生产控制系统的发展[J].石油机械，2012,40(7):45-49. Fan Yamin.Development of underwater production control system[J].China Petroleum Machinery,2012,40(7):45-49

[4] 冒家友,阳建军,王运.流花 4-1 油田水下复合电液控制系统设计与应用[J].中国海上油气,2014,26(3):111-114. Mao Jiayou,Yang Jianjun,Wang Yun.Design and application of subsea electro-hydraulic control system for LH4-1 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(3):111-114

[5] 陈家庆.海洋油气开发中的水下生产系统 (一)[J].石油机械,2007,35(5):54-58. Chen Jiaqing.Subsea production system in offshore oil and gas development (1) [J].China Petroleum Machinery,2007,35(5):54-58

[6] 李长春,连琏.水下生产系统在海洋石油开发中的应用[J].海洋工程，1995,13(4):25-30. Li Changchun,Lian Lian.Subsea production system application in offshore oil development[J].The Ocean Engineering，1995,13(4):25-30

[7] 肖祖骐.水下井口系统[J].中国海上油气 (工程),1991,3(1):1-8. Xiao Zuqi.Subsea wellhead system[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),1991,3(1):1-8

[8] 柯吕雄.崖城13-4气田开发工程技术创新与实践[M].东营：中国石油大学出版社,2013：153-154. Ke Lyuxiong.Yacheng 13-4 gas field development engineering practice and innovation[M].Dong Ying:China University of Petroleum Press,2013:153-154.

(编辑：叶秋敏)

Design and application of the subsea control system in YC 13-4 gas field

Chen Chibin

(YachengOperatingCompanyofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

The subsea control system in YC 13-4 gas field is the first one for subsea production control designed and built by CNOOC, with independent IPR. This system uses redundant control technology to realize the redundant work pattern of subsea electronic modules and the double redundant monitoring function of downhole pressure gauges, and uses digital modulation technology of frequency-shift keying with good resisting performance in noise and decay to realize the signal transmission between the master control station and subsea electronic modules. The system has the characteristics of redundant hydraulic, redundant power and redundant communication. The application result indicates that the structure design of the redundant control system in YC 13-4 gas field is advanced, the byte error rate in the communication between the master control station and subsea electronic modules was reduced to below 0.006 14% and the stability and reliability of communication were higher, which provides reference for subsea control systems in similar gas field development in the future.

YC 13-4 gas field; subsea control system; redundant control; frequency-shift keying digital modulation; master control station; subsea electronic module; byte error rate in communication

陈炽彬，男，工程师，现主要从事气田生产管理工作。地址：广东省深圳市南山区太子路22号金融中心17楼(邮编：518067)。电话：0755-26671212-6729。E-mail:janbin.chen@cnooc.com.cn。

1673-1506(2015)04-0126-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2015.04.019

TE953

A

2014-11-20 改回日期：2015-01-23